ディーゼルエンジン
【課題】従来より、吸入空気のスワール流が発生している燃焼室内に、多噴口構造の燃料噴射ノズルから燃料を直接噴射して複数の燃料噴霧を形成するディーゼルエンジンでは、タイミングリタードによってＮＯｘ生成量は低減できるが、不完全燃焼が著しく、安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減が難しく、特に、スワール流が大きいと、燃料噴霧が重なって燃料濃度が局部的に上昇して、更に不完全燃焼が著しくなる、という問題があった。
【解決手段】隣設する噴口３４ａ・３５ａからの燃料噴霧４５・４６の重なりを減少する重複回避構成を備え、該重複回避構成として、前記燃焼室１５内に空気を吸入する吸気弁３ｃ・３ｃの閉弁動作の開始点である時期２９ａ・５０ａ・５１ａを吸気下死点Ｂ前に設定するバルブタイミング機構１７を設けた。
【解決手段】隣設する噴口３４ａ・３５ａからの燃料噴霧４５・４６の重なりを減少する重複回避構成を備え、該重複回避構成として、前記燃焼室１５内に空気を吸入する吸気弁３ｃ・３ｃの閉弁動作の開始点である時期２９ａ・５０ａ・５１ａを吸気下死点Ｂ前に設定するバルブタイミング機構１７を設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内に吸入する空気を横に回転させて渦を巻くようにした旋回流（以下、「スワール流」とする。）を発生させ、この燃焼室内に多噴口構造の燃料噴射ノズルから、燃料を直接噴射する直噴式のディーゼルエンジンに関し、特に、燃費の悪化と黒煙量の増加を招くことなく、ＮＯｘを低減可能な燃焼技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃焼室内に燃料を直接噴射して自己着火する直噴式のディーゼルエンジンにおいて、ＮＯｘ生成量を低減する技術としては、タイミングリタードが知られている。該タイミングリタードとは、着火時期を遅らせることによって燃焼最高温度を低下させ、窒素と酸素との反応を抑制してＮＯｘ生成量を低減する技術であるが、その際、燃焼最高温度に達する初期燃焼の後に供給される燃料の割合が多いため、燃焼が不完全となって燃費が悪く黒煙発生量も多い。そこで、燃料噴射時の燃料噴霧を燃焼室の周辺部と中央部に導く案内部を、燃焼室内に交互に配設することにより、燃焼室内に燃料噴霧を均一に分散させて燃焼効率を高める技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２９６４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記技術によると、燃焼効率の向上は期待できるものの、タイミングリタードで初期燃焼の後に供給される燃料に起因した不完全燃焼を抑制できるまでには至らず、前記技術によっても、安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減は難しい、という問題があった。
特に、噴口面積を拡大して燃費の悪化を防止するために多数の噴口を設ける多噴口構造の場合、噴口間距離が短くなり、各噴口からの噴射燃料によって形成される燃料噴霧の間隔も狭くなる。そのため、スワール流が強い箇所では、燃焼室内を直進しようとする力（以下、「貫徹力」とする。）の小さい燃料噴霧は、スワール流の旋回方向に湾曲されて隣設するもの同士で容易に重複し、この噴霧重複部では燃料濃度が局部的に上昇して不完全燃焼が著しくなり、安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減が更に難しくなる、という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
すなわち、請求項１においては、吸入空気のスワール流が発生している燃焼室内に、多噴口構造の燃料噴射ノズルから燃料を直接噴射して複数の燃料噴霧を形成するディーゼルエンジンにおいて、隣設する噴口からの燃料噴霧の重なりを減少する重複回避構成を備え、該重複回避構成として、前記燃焼室内に空気を吸入する吸気弁の閉弁動作の開始時期を吸気下死点前に設定するバルブタイミング機構を設けたものである。
請求項２においては、前記閉弁動作において、前記吸気弁の着座速度を減速して着座の衝撃を緩和する緩衝区間を設け、該緩衝区間の開始時期を吸気下死点前に設定するものである。
請求項３においては、前記重複回避構成として、前記バルブタイミング機構に加えて異径多噴口構造を設け、該異径多噴口構造は、上下複数段の噴口列から成り、該噴口列のうちで燃料の噴射方向の俯角が小さい上段側ほど、噴口径を大きく設定して貫徹力を増加させるものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示す効果を奏する。
すなわち、請求項１により、前記バルブタイミング機構では、閉弁動作を開始した後は、吸気弁により吸気流路が徐々に閉塞されていくため、ピストンが吸気下死点に至るまでの間、吸気流が制限を受けた状態で吸気行程が継続される。これにより、吸入空気を断熱膨張させてシリンダ内の吸気温度を低くすることができ、燃焼最高温度を低下させてＮＯｘ生成量を低減することができる。この際、タイミングリタードを行う場合とは違って、初期燃焼の後に供給される燃料の割合が多くなることはない。更に、前記バルブタイミング機構では、吸気弁の開弁動作開始から閉弁動作開始までの時間（以下、「開弁時間」とする）を短縮して、スワール流が発生しやすい高リフト部での吸気量を制限すると共に、吸入空気を膨張させることにより、吸気に伴うスワール流を小さくすることができ、多噴口構造の場合でも、複数の燃料噴霧がスワール流に湾曲されて生じる重複を減少することができる。これにより、噴霧重複域を小さくして燃料濃度の局部的な上昇を軽減することができ、不完全燃焼を抑制して安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減を図ることができる。
請求項２により、吸気下死点で燃焼室内に大きな圧力変動が生じる前に、吸気弁の着座速度を減速することができ、圧力変動下であっても吸気弁が着座面に激しく衝突しないようにして、吸気弁または着座面の損傷を防止することができる。
請求項３により、前記ディーゼルエンジンにおいて、吸気条件の変動等により、たとえ大きいスワール流が発生しても、高速な旋回外側を通過する燃料噴霧ほど貫徹力を増加させることができ、各燃料噴霧の貫徹力をスワール流から受ける湾曲力に応じて適正化することができる。これにより、燃料噴霧の先部が燃焼室の壁面に接触して多量のカーボンが堆積するのを最小限に抑えつつ、噴霧重複域を小さくして燃料濃度の局部的な上昇を軽減することができ、燃焼室内の空気利用率を向上させて、大きいスワール流が発生した場合にも安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係わるディーゼルエンジンの全体構成を示す正面断面図である。
【図２】吸気弁のクランク軸の角度と閉弁動作との関係を示す説明図である。
【図３】吸気下死点の前後で閉弁動作の開始と終了を行う場合の、吸気弁のクランク軸の角度と閉弁動作との関係を示す説明図である。
【図４】緩衝区間を設けた場合の、吸気弁のクランク軸の角度と閉弁動作との関係を示す説明図である。
【図５】燃料噴射ノズルの先部の側面一部断面図である。
【図６】燃料の噴霧状況を示す燃焼室近傍の側面一部断面図である。
【図７】燃料噴射ノズルの先部の底面図である。
【図８】大きいスワール流発生時における燃料の噴霧状況を示す、燃焼室近傍の底面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図１の矢印Ｕで示す方向をディーゼルエンジン１の上方とし、矢印Ｒで示す方向をディーゼルエンジン１の右方として、以下に述べる各部材の位置や方向等を説明するものである。
【０００９】
まず、本発明に係わるディーゼルエンジン１の全体構成について、図１により説明する。なお、ディーゼルエンジン１では各気筒の構造は略同一であるため、そのうちの１気筒についてのみ説明する。
該ディーゼルエンジン１は、シリンダブロック２・シリンダヘッド３から成るシリンダ３１等のエンジン主体部１Ａ、ピストン６・コネクティングロッド７・クランク軸８・バルブタイミング機構１７等の主要運動部１Ｂ、及び燃料噴射ノズル４・燃料噴射ポンプ５等の吸排気弁駆動部１Ｃ等から構成される。
【００１０】
このうちのエンジン主体部１Ａにおいては、前記シリンダ３１のシリンダブロック２を上下方向に貫通する貫通孔２ａが形成され、該貫通孔２ａに、貫通孔２ａと略同一の外径を有する硬質のシリンダライナ９が嵌入され、該シリンダライナ９の内部に前記ピストン６が摺接されており、該ピストン６の上下方向への往復運動によっても、前記シリンダ３１内壁が直接摩耗しないようにしている。
【００１１】
そして、前記シリンダブロック２の上端部のトップデッキ２ｂには、前記シリンダライナ９の中心軸を中心とした円上に、等間隔で４個のヘッドボルト穴２ｃが設けられると共に、トップデッキ２ｂ上のシリンダヘッド３にも、前記シリンダライナ９の中心軸を中心とした円上に、等間隔で４個の貫通孔３ａが設けられ、該貫通孔３ａは前記ヘッドボルト穴２ｃと同軸上に配置されている。
【００１２】
これにより、ヘッドボルト１０の下ネジ部１０ｂをヘッドボルト穴２ｃに螺挿した後、ヘッドボルト１０の上ネジ部１０ａを、前記貫通孔３ａを通してシリンダヘッド３の上端面から突出させ、該上ネジ部１０ａにナット１１を螺嵌するようにして、シリンダヘッド３がシリンダブロック２のトップデッキ２ｂに締結固定される。
【００１３】
同様に、前記シリンダブロック２でトップデッキ２ｂと反対側には、キャップボルト穴２ｄが設けられると共に、シリンダブロック２の下端面はメタルキャップ１２によって覆われ、該メタルキャップ１２には、前記キャップボルト穴２ｄと同軸上に貫通孔１２ａが配置されており、キャップボルト１３とナット１４によって、メタルキャップ１２がシリンダブロック２の下面に締結固定される。そして、このメタルキャップ１２とシリンダブロック２の下面との間に、前記クランク軸８が回動自在に軸支されている。
【００１４】
また、前記主要運動部１Ｂにおいては、前述したようにシリンダライナ９の内部に、ピストン６が上下摺動可能に設けられ、該ピストン６の上端面とシリンダヘッド３の下端面に囲まれた空間には、燃料噴霧を形成する燃焼室１５が設けられている。
【００１５】
このピストン６の上下方向途中部には、前記シリンダライナ９の中心軸と垂直に交差し、かつ、クランク軸８の中心軸と平行なピストンピン１６が設けられ、該ピストンピン１６には、前記コネクティングロッド７の上端が揺動可能に挿嵌されている。一方、該コネクティングロッド７の下端は、前記クランク軸８のクランクピン８ａに回動可能に挿嵌されており、クランク軸８がコネクティングロッド７を介してピストン６と連動可能に連結されている。
【００１６】
これにより、該ピストン６の上下方向への往復運動が、コネクティングロッド７を介してクランク軸８に伝達され、該クランク軸８の中心軸を中心として回転する回転運動に変換される。
【００１７】
更に、シリンダブロック２の左側方には、バルブタイミング機構１７が配置されている。該バルブタイミング機構１７のカム軸１９は、ギア等を介して、前記クランク軸８に連動連結されており、クランク軸８による回転運動が、回転動力としてカム軸１９に伝達され、バルブタイミング機構１７が駆動されるようにしている。
【００１８】
また、前記吸排気弁駆動部１Ｃにおいては、前記燃焼室１５内に空気を送り込むための左右一対の吸気流路３ｂ・３ｂと、該吸気流路３ｂ・３ｂを開閉可能とする左右一対の吸気弁３ｃ・３ｃとが前記シリンダヘッド３に設けられ、同様に、排気ガスを排出するための図示せぬ左右一対の排気通路と、該排気通路を開閉可能とする左右一対の排気弁も、シリンダヘッド３に設けられており、本実施例のディーゼルエンジン１では、１気筒につき２つの吸気弁３ｃ・３ｃと２つの排気弁がそれぞれ備えられている。そして、いずれの弁の開閉も、後で詳述するようにして、前記バルブタイミング機構１７によって行われる。
【００１９】
更に、シリンダヘッド３には、前記燃料噴射ノズル４が、その先端部を燃焼室１５内に突出するようにして設けられており、後で詳述するように形成した複数の噴口から、燃料が燃焼室１５内に噴射される。
【００２０】
この燃料噴射ノズル４は、図示せぬ燃料管を介して、前記シリンダブロック２の左側方に配置された燃料噴射ポンプ５に接続されており、該燃料噴射ポンプ５に、前記クランク軸８の回転運動がギヤ等から前記カム軸１９を経由して伝達されると、燃料が前記燃料管を介して燃料噴射ノズル４に圧送して供給され、ディーゼルエンジン１の運転状況に応じた燃料噴射が行われる。
【００２１】
次に、前記バルブタイミング機構１７と、それによる前記吸気弁３ｃ・３ｃの閉弁時期制御について、図１乃至図４により説明する。
図１に示すように、バルブタイミング機構１７においては、シリンダブロック２の左側方で前記クランク軸８の中心軸に平行に前記カム軸１９が配置され、該カム軸１９には、所定のカムプロフィールを有するカム２０が外嵌され、該カム２０の円周上部にはカムフォロアー２１が当接されている。
【００２２】
該カムフォロアー２１は、スイングアーム２３の左右略中央下側に設けられ、該スイングアーム２３の左端は揺動軸２２に軸支されており、該揺動軸２２を中心にして、前記スイングアーム２３が、カム２０のカムプロフィールに従って上下揺動するようにしている。
【００２３】
更に、前記スイングアーム２３の右端は、プッシュロッド２４の下端に連結される。該プッシュロッド２４は、前記シリンダヘッド３の左部を上下方向に貫通して上下摺動可能に設けられると共に、シリンダヘッド３から突き出たプッシュロッド２４の上端には、シリンダヘッド３の上方に設けた弁腕２５の左端が連結されている。
【００２４】
該弁腕２５の左右略中央は、前記カム軸１９に平行に配置された弁腕軸２６を中心にして、上下揺動可能に軸支されると共に、弁腕２５の右端は、前記左右一対の吸気弁３ｃ・３ｃの上端部間を接続する吸気用連結部材１８に、取付軸２７を介して連結されている。
【００２５】
そして、該吸気用連結部材１８は、シリンダヘッド３の上面と吸気弁３ｃ・３ｃの上端傘部との間に介装したバネ４８の弾性力によって、常に上方に付勢されており、プッシュロッド２４が、弁腕軸２６を中心にして押し下げられて、カムフォロアー２１が、スイングアーム２３を介してカム２０に押圧されるようにしている。これにより、カムフォロアー２１のカム２０への追従性を向上させ、吸気弁３ｃ・３ｃの開閉時期の設定精度を高めるようにしている。
【００２６】
なお、前記排気弁の開閉時期についても、同様にして、このバルブタイミング機構１７に設けた図示せぬカムのカムプロフィールに従って設定されている。
【００２７】
また、このような構成から成るバルブタイミング機構１７において、回転動力が入力されるカム軸１９は、前述の如くクランク軸８に連動連結されており、該クランク軸８の位相を基準として開閉時期制御が行われる。
【００２８】
図２に示すように、吸気上死点Ｔ前の時期２８で吸気弁３ｃ・３ｃの開弁動作が開始された後に、通常は、吸気下死点Ｂ後の時期３０ａで閉弁動作が開始され、時期３０ｂで閉弁動作が終了するように制御される。なお、吸気弁３ｃ・３ｃの開弁動作開始の時期２８を吸気上死点Ｔ前としたのは、吸気弁３ｃ・３ｃの開弁時間と排気弁の開弁時間との重複時間を拡大することにより掃気量を増加させ、ディーゼルエンジン１のエンジン特性を向上させるためであり、吸気弁３ｃ・３ｃの開弁動作開始の時期２８は、必ずしも吸気上死点Ｔ前に限定されるものではない。
【００２９】
これに対し、本実施例では、吸気弁３ｃ・３ｃの開弁動作開始の前記時期２８を、前記掃気量を損なうことなく設定し、閉弁動作開始と閉弁動作終了の前記時期３０ａ・３０ｂのみを、クランク軸８の角度で位相角４９だけ早め、それぞれ、吸気下死点Ｂ前の時期２９ａ・２９ｂとなるように、前記カム２０のカムプロフィールが形成されている。この場合、閉弁動作が終了して閉弁した後も吸気行程が継続され、前記吸気流路３ｂからシリンダ３１内に吸気された吸入空気が、気密状態のまま断熱膨張される。
【００３０】
図３に示すように、吸気弁３ｃ・３ｃの閉弁動作開始の時期は、前述の時期２９ａと同様に、吸気下死点Ｂ前の時期５０ａとなるのに対し、閉弁動作終了の時期は、吸気下死点Ｂ後の時期５０ｂになるように、前記カム２０のカムプロフィールを形成することができる。この場合、ピストン６が吸気下死点Ｂに至るまでの間、閉弁動作は終了しないものの、閉弁動作自体は既に開始されているため、吸気弁３ｃ・３ｃの吸気流路３ｂ・３ｂが徐々に閉塞されていく。これにより、吸気流が制限を受けた状態で吸気行程が継続され、前記吸気流路３ｂからシリンダ３１内に吸気された吸入空気が、気密に近い状態で断熱膨張される。
【００３１】
図４に示すように、吸気弁３ｃ・３ｃの閉弁動作の開始と終了の時期を、前述の時期５０ａ・５０ｂと同様に、吸気下死点Ｂ前後の時期５１ａ・５１ｂにすると共に、閉弁動作の途中に、吸気弁３ｃ・３ｃの着座速度を減速する緩衝区間５２を設け、該緩衝区間５２の開始時期を、吸気下死点Ｂ前の時期５１ｃとなるように、前記カム２０のカムプロフィールを形成することができる。この場合、吸気下死点Ｂに至るまでの間、吸気弁３ｃ・３ｃは図示せぬ着座面に徐々に接近していく。これにより、吸気下死点Ｂで燃焼室１５内に大きな圧力変動が生じても、それにより、吸気弁３ｃ・３ｃが着座面に誤って激しく衝突するのを回避することができる。
【００３２】
更に、以上の図２乃至図４に示す本発明に関わるバルブタイミング機構１７では、いずれも、従来のタイミングリタードとは異なり、着火時期は通常のままであるため、初期燃焼の後に供給される燃料の割合が多くなることはない。更に、このバルブタイミング機構１７では、開弁時間を短縮して、スワール流が発生しやすい高リフト部での吸気量を制限すると共に、吸入空気を膨張させることにより、吸気に伴うスワール流を小さくすることができ、多噴口構造であっても、後述するような燃料噴霧の重複を回避することができる。
【００３３】
次に、以上のような開閉時期制御を行う燃料噴射ノズル４の構造と動作について、図１、図５、図６により説明する。
該燃料噴射ノズル４は、そのノズル軸心３６が、前記シリンダ３１のシリンダ中心線３７と同軸上に配置されるように、シリンダヘッド３に嵌着されている。更に、この燃料噴射ノズル４のノズルボディ３２の下部には半球状の噴射部３３が形成され、該噴射部３３は、前記シリンダヘッド３の下面３ｄから燃焼室１５内に臨むように配置されている。
【００３４】
前記噴射部３３の内部には、球面状のサック孔３９が形成され、該サック孔３９の球心４０は前記ノズル軸心３６上に位置している。そして、該サック孔３９には、上下摺動可能な弁体４１の円錐状の下端部４１ａが突出され、該下端部４１ａは、ノズルボディ３２内の弁座３２ａに着座可能に形成されている。更に、該ノズルボディ３２の内周側面と弁体４１の外周側面との間には、燃料供給路４２が形成されている。
【００３５】
このような構成において、燃料噴射開始時には、高圧の燃料が、前記燃料噴射ポンプ５から前記燃料供給路４２に供給された後、弁体４１の下端部４１ａと弁座３２ａとの間の隙間４２ａを通ってサック孔３９内に流入し、噴射部３３に形成された後述の多噴口より、燃焼室１５を構成するキャビティ３８内に噴射されるようにしている。
【００３６】
燃料噴射終了時には、図示せぬ制御装置からの制御信号に基づいて電磁弁等が作動し、油圧ピストン等のアクチュエータによって前記弁体４１が下降して前記隙間４２ａを遮断する。これにより、サック孔３９内への燃料の供給を停止して、多噴口からキャビティ３８内への燃料の噴射を停止するようにしている。
【００３７】
次に、前記噴射部３３における多噴口の構造と、該多噴口からの燃料噴霧に及ぼすスワール流の影響について、図５乃至図８により説明する。
図５乃至図７に示すように、該噴射部３３には、上下に二段の噴口列３４・３５が形成されている。このうちの上段噴口列３４では、複数の上段噴口３４ａが、ノズル軸心３６を中心とした同一円周上に、周方向に等間隔をあけて配置され、更に、各上段噴口３４ａは、俯角Ｄ１の上段噴口中心線４３が前記半球側面３３ａの球心４０を略通過するように形成されており、半球側面３３ａに対して略直角に開口されている。
【００３８】
同様に、前記下段噴口列３５でも、複数の下段噴口３５ａが、ノズル軸心３６を中心とした同一円周上に、周方向に等間隔をあけて配置され、更に、各下段噴口３５ａは、俯角Ｄ２の下段噴口中心線４４が前記半球側面３３ａの球心４０を略通過するように形成されており、半球側面３３ａに対して略直角に開口されている。
【００３９】
これにより、燃料を、上段噴口３４ａ・下段噴口３５ａのいずれからも、噴射部３３の半球側面３３ａに対して略直角に噴射させることができ、燃料噴射時の不規則な渦流等の発生を防止し、燃焼室１５内における燃料分布のばらつきを軽減するようにしている。
【００４０】
そして、上段噴口３４ａの噴口長さをＬ１、噴口径をｄ１とし、下段噴口３５ａの噴口長さをＬ２、噴口径をｄ２とした場合、本実施例では、噴口長さは同一（Ｌ１＝Ｌ２）であるが、上段噴口３４ａの噴口径ｄ１は下段噴口３５ａの噴口径ｄ２よりも大きく（ｄ１＞ｄ２）設定されている。
【００４１】
一方、前記燃焼室１５は、前記シリンダヘッド３の下面３ｄと、シリンダ３１の内側面と、ピストン６の頂部６ａを凹状に加工したキャビティ３８との間に形成される。そして、該キャビティ３８の平面視略中央には、略平坦な円状の底面部３８ｂが形成され、該底面部３８ｂの周囲は、上方に開いた円錐台状の斜面部３８ａによって覆われると共に、底面部３８ｂは、斜面部３８ａよりも、前記噴射部３３に近設して設けられている。
【００４２】
以上のような構成において、上段噴口３４ａから噴射される燃料は、斜面部３８ａに向かって、上段噴口中心線４３上を噴霧角θ１で噴霧長さＳ１まで拡散し、上段燃料噴霧４５を形成する。更に、下段噴口３５ａから噴射される燃料は、底面部３８ｂに向かって、下段噴口中心線４４上を噴霧角θ２で噴霧長さＳ２まで拡散し、下段燃料噴霧４６を形成する。
【００４３】
そして、このような燃料噴霧４５・４６では、噴口径ｄが小さいほど、各噴口３４ａ・３５ａからの噴出流量・速度が減少し、噴霧到達距離が短くなる。すなわち、前述した貫徹力が小さいことになる。従って、下段噴口３５ａからの下段燃料噴霧４６の貫徹力の方が、上段燃料噴霧４５の貫徹力よりも小さくなり、下段燃料噴霧４６の噴霧長さＳ２を、上段燃料噴霧４５の噴霧長さＳ１よりも短くして、下段燃料噴霧４６を構成する燃料が、底面部３８ｂにできるだけ接触しないようにすることができる。
【００４４】
なお、この際、上段噴口３４ａの貫徹力は大きいが、噴射部３３から斜面部３８ａまで遠いことから、上段燃料噴霧４５を構成する燃料も、斜面部３８ａにできるだけ接触しないようにすることができる。
【００４５】
また、図５、図８に示すように、このような噴口径が異なる上段噴口３４ａと下段噴口３５ａから成る異径多噴口構造において、吸気条件の変動等によって大きいスワール流Ｗが発生している場合について説明する。該スワール流Ｗにおいて、旋回外側のスワール流Ｗ１は、旋回内側のスワール流Ｗ２よりも高速であって、燃料噴霧４５・４６を旋回方向に押して湾曲させる力（以下、「湾曲力」とする。）は大きい。
【００４６】
ここで、上段噴口３４ａの俯角Ｄ１は下段噴口３５ａの俯角Ｄ２よりも小さいため、上段燃料噴霧４５は、旋回外側の高速のスワール流Ｗ１を貫くようにして通過するが、前述の如く上段燃料噴霧４５の貫徹力が大きいことから、スワール流Ｗ１から受ける湾曲力の影響は小さく、スワール流Ｗ１に押されることによる上段燃料噴霧４５同士の重なりは小さい。
【００４７】
これに対し、下段燃料噴霧４６は、旋回内側の低速のスワール流Ｗ２を貫くようにして通過するため、スワール流Ｗ２から受ける湾曲力の影響が小さく、たとえ貫徹力が小さくても、スワール流Ｗ２に押されて下段燃料噴霧４６同士が重なることはない。なお、このように大きいスワール流Ｗが発生する場合は、燃料噴霧４５・４６は、屈曲されるために前記斜面部３８ａ・底面部３８ｂとは接触しにくい状態となっている。また、吸気流路３ｂ・３ｂやキャビティ３８の形状を、スワール流Ｗが減少するように形成することで、更に燃料噴霧４５・４６の重なりを減少させることができる。
【００４８】
なお、前記上段噴口３４ａの噴口径ｄ１を下段噴口３５ａの噴口径ｄ２と同一に（ｄ１＝ｄ２）設定して、上段燃料噴霧４５Ａの貫徹力を小さくした場合は、該上段燃料噴霧４５Ａがスワール流Ｗ１から受ける湾曲力の影響が大きいため、押されて上段燃料噴霧４５Ａ同士が重なり、広い噴霧重複域４７が生じ、該噴霧重複域４７において燃料濃度の局部的な上昇が起こる。
【００４９】
すなわち、吸入空気のスワール流Ｗが発生している燃焼室１５内に、多噴口構造の燃料噴射ノズル４から燃料を直接噴射して複数の燃料噴霧４５・４６を形成するディーゼルエンジン１において、隣設する噴口３４ａ・３５ａからの燃料噴霧４５・４６の重なりを減少する重複回避構成を備え、該重複回避構成として、前記燃焼室１５内に空気を吸入する吸気弁３ｃ・３ｃの閉弁動作の開始点である時期２９ａ・５０ａ・５１ａを吸気下死点Ｂ前に設定するバルブタイミング機構１７を設けたので、該バルブタイミング機構１７では、閉弁動作を開始した後は、吸気弁３ｃ・３ｃにより吸気流路３ｂが徐々に閉塞されていくため、ピストン６が吸気下死点Ｂに至るまでの間、吸気流が制限を受けた状態で吸気行程が継続される。これにより、吸入空気を断熱膨張させてシリンダ３１内の吸気温度を低くすることができ、燃焼最高温度を低下させてＮＯｘ生成量を低減することができる。この際、タイミングリタードを行う場合とは違って、初期燃焼の後に供給される燃料の割合が多くなることはない。更に、前記バルブタイミング機構１７では、開弁時間を短縮して、スワール流が発生しやすい高リフト部での吸気量を制限すると共に、吸入空気を膨張させることにより、吸気に伴うスワール流Ｗを小さくすることができ、多噴口構造の場合でも、複数の燃料噴霧４５・４６がスワール流Ｗに湾曲されて生じる重複を減少することができる。これにより、噴霧重複域４７を小さくして燃料濃度の局部的な上昇を軽減することができ、不完全燃焼を抑制して安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減を図ることができる。
【００５０】
更に、前記閉弁動作において、前記吸気弁３ｃ・３ｃの着座速度を減速して着座の衝撃を緩和する緩衝区間５２を設け、該緩衝区間５２の開始点である時期５１ｃを吸気下死点Ｂ前に設定するので、吸気下死点Ｂで燃焼室１５内に大きな圧力変動が生じる前に、吸気弁３ｃ・３ｃの着座速度を減速することができ、圧力変動下であっても吸気弁３ｃ・３ｃが着座面に激しく衝突しないようにして、吸気弁３ｃ・３ｃまたは着座面の損傷を防止することができる。
【００５１】
加えて、前記重複回避構成として、前記バルブタイミング機構１７に加えて異径多噴口構造を設け、該異径多噴口構造は、上下複数段、本実施例では上下２段の噴口列３４・３５から成り、該噴口列３４・３５のうちで、燃料の噴射方向の俯角Ｄが小さい上段側ほど、本実施例では上段噴口列３４の噴口径ｄ１を大きく設定して貫徹力を増加させるので、前記ディーゼルエンジン１において、吸気条件の変動等により、たとえ大きいスワール流Ｗが発生しても、高速な旋回外側のスワール流Ｗ１を通過する上段燃料噴霧４５の方の貫徹力を増加させることができ、各燃料噴霧４５・４６の貫徹力をスワール流Ｗから受ける湾曲力に応じて適正化することができる。これにより、燃料噴霧４５・４６の先部が燃焼室１５の壁面である斜面部３８ａ・底面部３８ｂに接触して多量のカーボンが堆積するのを最小限に抑えつつ、噴霧重複域４７を小さくして燃料濃度の局部的な上昇を軽減することができ、燃焼室１５内の空気利用率を向上させて、大きいスワール流Ｗが発生した場合にも安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、吸入空気のスワール流が発生している燃焼室内に、多噴口構造の燃料噴射ノズルから燃料を直接噴射して複数の燃料噴霧を形成する、全てのディーゼルエンジンに適用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ ディーゼルエンジン
３ｃ 吸気弁３ｃ
４ 燃料噴射ノズル
１５ 燃焼室
１７ バルブタイミング機構
２９ａ・５０ａ・５１ａ 時期（閉弁動作の開始点）
３４・３５ 噴口列
３４ａ・３５ａ 噴口
４５・４６ 燃料噴霧
５１ｃ 時期（緩衝区間の開始点）
５２ 緩衝区間
Ｂ 吸気下死点
Ｄ 俯角
ｄ１ 噴口径
Ｗ スワール流
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内に吸入する空気を横に回転させて渦を巻くようにした旋回流（以下、「スワール流」とする。）を発生させ、この燃焼室内に多噴口構造の燃料噴射ノズルから、燃料を直接噴射する直噴式のディーゼルエンジンに関し、特に、燃費の悪化と黒煙量の増加を招くことなく、ＮＯｘを低減可能な燃焼技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃焼室内に燃料を直接噴射して自己着火する直噴式のディーゼルエンジンにおいて、ＮＯｘ生成量を低減する技術としては、タイミングリタードが知られている。該タイミングリタードとは、着火時期を遅らせることによって燃焼最高温度を低下させ、窒素と酸素との反応を抑制してＮＯｘ生成量を低減する技術であるが、その際、燃焼最高温度に達する初期燃焼の後に供給される燃料の割合が多いため、燃焼が不完全となって燃費が悪く黒煙発生量も多い。そこで、燃料噴射時の燃料噴霧を燃焼室の周辺部と中央部に導く案内部を、燃焼室内に交互に配設することにより、燃焼室内に燃料噴霧を均一に分散させて燃焼効率を高める技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−２９６４４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記技術によると、燃焼効率の向上は期待できるものの、タイミングリタードで初期燃焼の後に供給される燃料に起因した不完全燃焼を抑制できるまでには至らず、前記技術によっても、安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減は難しい、という問題があった。
特に、噴口面積を拡大して燃費の悪化を防止するために多数の噴口を設ける多噴口構造の場合、噴口間距離が短くなり、各噴口からの噴射燃料によって形成される燃料噴霧の間隔も狭くなる。そのため、スワール流が強い箇所では、燃焼室内を直進しようとする力（以下、「貫徹力」とする。）の小さい燃料噴霧は、スワール流の旋回方向に湾曲されて隣設するもの同士で容易に重複し、この噴霧重複部では燃料濃度が局部的に上昇して不完全燃焼が著しくなり、安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減が更に難しくなる、という問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
すなわち、請求項１においては、吸入空気のスワール流が発生している燃焼室内に、多噴口構造の燃料噴射ノズルから燃料を直接噴射して複数の燃料噴霧を形成するディーゼルエンジンにおいて、隣設する噴口からの燃料噴霧の重なりを減少する重複回避構成を備え、該重複回避構成として、前記燃焼室内に空気を吸入する吸気弁の閉弁動作の開始時期を吸気下死点前に設定するバルブタイミング機構を設けたものである。
請求項２においては、前記閉弁動作において、前記吸気弁の着座速度を減速して着座の衝撃を緩和する緩衝区間を設け、該緩衝区間の開始時期を吸気下死点前に設定するものである。
請求項３においては、前記重複回避構成として、前記バルブタイミング機構に加えて異径多噴口構造を設け、該異径多噴口構造は、上下複数段の噴口列から成り、該噴口列のうちで燃料の噴射方向の俯角が小さい上段側ほど、噴口径を大きく設定して貫徹力を増加させるものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示す効果を奏する。
すなわち、請求項１により、前記バルブタイミング機構では、閉弁動作を開始した後は、吸気弁により吸気流路が徐々に閉塞されていくため、ピストンが吸気下死点に至るまでの間、吸気流が制限を受けた状態で吸気行程が継続される。これにより、吸入空気を断熱膨張させてシリンダ内の吸気温度を低くすることができ、燃焼最高温度を低下させてＮＯｘ生成量を低減することができる。この際、タイミングリタードを行う場合とは違って、初期燃焼の後に供給される燃料の割合が多くなることはない。更に、前記バルブタイミング機構では、吸気弁の開弁動作開始から閉弁動作開始までの時間（以下、「開弁時間」とする）を短縮して、スワール流が発生しやすい高リフト部での吸気量を制限すると共に、吸入空気を膨張させることにより、吸気に伴うスワール流を小さくすることができ、多噴口構造の場合でも、複数の燃料噴霧がスワール流に湾曲されて生じる重複を減少することができる。これにより、噴霧重複域を小さくして燃料濃度の局部的な上昇を軽減することができ、不完全燃焼を抑制して安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減を図ることができる。
請求項２により、吸気下死点で燃焼室内に大きな圧力変動が生じる前に、吸気弁の着座速度を減速することができ、圧力変動下であっても吸気弁が着座面に激しく衝突しないようにして、吸気弁または着座面の損傷を防止することができる。
請求項３により、前記ディーゼルエンジンにおいて、吸気条件の変動等により、たとえ大きいスワール流が発生しても、高速な旋回外側を通過する燃料噴霧ほど貫徹力を増加させることができ、各燃料噴霧の貫徹力をスワール流から受ける湾曲力に応じて適正化することができる。これにより、燃料噴霧の先部が燃焼室の壁面に接触して多量のカーボンが堆積するのを最小限に抑えつつ、噴霧重複域を小さくして燃料濃度の局部的な上昇を軽減することができ、燃焼室内の空気利用率を向上させて、大きいスワール流が発生した場合にも安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係わるディーゼルエンジンの全体構成を示す正面断面図である。
【図２】吸気弁のクランク軸の角度と閉弁動作との関係を示す説明図である。
【図３】吸気下死点の前後で閉弁動作の開始と終了を行う場合の、吸気弁のクランク軸の角度と閉弁動作との関係を示す説明図である。
【図４】緩衝区間を設けた場合の、吸気弁のクランク軸の角度と閉弁動作との関係を示す説明図である。
【図５】燃料噴射ノズルの先部の側面一部断面図である。
【図６】燃料の噴霧状況を示す燃焼室近傍の側面一部断面図である。
【図７】燃料噴射ノズルの先部の底面図である。
【図８】大きいスワール流発生時における燃料の噴霧状況を示す、燃焼室近傍の底面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図１の矢印Ｕで示す方向をディーゼルエンジン１の上方とし、矢印Ｒで示す方向をディーゼルエンジン１の右方として、以下に述べる各部材の位置や方向等を説明するものである。
【０００９】
まず、本発明に係わるディーゼルエンジン１の全体構成について、図１により説明する。なお、ディーゼルエンジン１では各気筒の構造は略同一であるため、そのうちの１気筒についてのみ説明する。
該ディーゼルエンジン１は、シリンダブロック２・シリンダヘッド３から成るシリンダ３１等のエンジン主体部１Ａ、ピストン６・コネクティングロッド７・クランク軸８・バルブタイミング機構１７等の主要運動部１Ｂ、及び燃料噴射ノズル４・燃料噴射ポンプ５等の吸排気弁駆動部１Ｃ等から構成される。
【００１０】
このうちのエンジン主体部１Ａにおいては、前記シリンダ３１のシリンダブロック２を上下方向に貫通する貫通孔２ａが形成され、該貫通孔２ａに、貫通孔２ａと略同一の外径を有する硬質のシリンダライナ９が嵌入され、該シリンダライナ９の内部に前記ピストン６が摺接されており、該ピストン６の上下方向への往復運動によっても、前記シリンダ３１内壁が直接摩耗しないようにしている。
【００１１】
そして、前記シリンダブロック２の上端部のトップデッキ２ｂには、前記シリンダライナ９の中心軸を中心とした円上に、等間隔で４個のヘッドボルト穴２ｃが設けられると共に、トップデッキ２ｂ上のシリンダヘッド３にも、前記シリンダライナ９の中心軸を中心とした円上に、等間隔で４個の貫通孔３ａが設けられ、該貫通孔３ａは前記ヘッドボルト穴２ｃと同軸上に配置されている。
【００１２】
これにより、ヘッドボルト１０の下ネジ部１０ｂをヘッドボルト穴２ｃに螺挿した後、ヘッドボルト１０の上ネジ部１０ａを、前記貫通孔３ａを通してシリンダヘッド３の上端面から突出させ、該上ネジ部１０ａにナット１１を螺嵌するようにして、シリンダヘッド３がシリンダブロック２のトップデッキ２ｂに締結固定される。
【００１３】
同様に、前記シリンダブロック２でトップデッキ２ｂと反対側には、キャップボルト穴２ｄが設けられると共に、シリンダブロック２の下端面はメタルキャップ１２によって覆われ、該メタルキャップ１２には、前記キャップボルト穴２ｄと同軸上に貫通孔１２ａが配置されており、キャップボルト１３とナット１４によって、メタルキャップ１２がシリンダブロック２の下面に締結固定される。そして、このメタルキャップ１２とシリンダブロック２の下面との間に、前記クランク軸８が回動自在に軸支されている。
【００１４】
また、前記主要運動部１Ｂにおいては、前述したようにシリンダライナ９の内部に、ピストン６が上下摺動可能に設けられ、該ピストン６の上端面とシリンダヘッド３の下端面に囲まれた空間には、燃料噴霧を形成する燃焼室１５が設けられている。
【００１５】
このピストン６の上下方向途中部には、前記シリンダライナ９の中心軸と垂直に交差し、かつ、クランク軸８の中心軸と平行なピストンピン１６が設けられ、該ピストンピン１６には、前記コネクティングロッド７の上端が揺動可能に挿嵌されている。一方、該コネクティングロッド７の下端は、前記クランク軸８のクランクピン８ａに回動可能に挿嵌されており、クランク軸８がコネクティングロッド７を介してピストン６と連動可能に連結されている。
【００１６】
これにより、該ピストン６の上下方向への往復運動が、コネクティングロッド７を介してクランク軸８に伝達され、該クランク軸８の中心軸を中心として回転する回転運動に変換される。
【００１７】
更に、シリンダブロック２の左側方には、バルブタイミング機構１７が配置されている。該バルブタイミング機構１７のカム軸１９は、ギア等を介して、前記クランク軸８に連動連結されており、クランク軸８による回転運動が、回転動力としてカム軸１９に伝達され、バルブタイミング機構１７が駆動されるようにしている。
【００１８】
また、前記吸排気弁駆動部１Ｃにおいては、前記燃焼室１５内に空気を送り込むための左右一対の吸気流路３ｂ・３ｂと、該吸気流路３ｂ・３ｂを開閉可能とする左右一対の吸気弁３ｃ・３ｃとが前記シリンダヘッド３に設けられ、同様に、排気ガスを排出するための図示せぬ左右一対の排気通路と、該排気通路を開閉可能とする左右一対の排気弁も、シリンダヘッド３に設けられており、本実施例のディーゼルエンジン１では、１気筒につき２つの吸気弁３ｃ・３ｃと２つの排気弁がそれぞれ備えられている。そして、いずれの弁の開閉も、後で詳述するようにして、前記バルブタイミング機構１７によって行われる。
【００１９】
更に、シリンダヘッド３には、前記燃料噴射ノズル４が、その先端部を燃焼室１５内に突出するようにして設けられており、後で詳述するように形成した複数の噴口から、燃料が燃焼室１５内に噴射される。
【００２０】
この燃料噴射ノズル４は、図示せぬ燃料管を介して、前記シリンダブロック２の左側方に配置された燃料噴射ポンプ５に接続されており、該燃料噴射ポンプ５に、前記クランク軸８の回転運動がギヤ等から前記カム軸１９を経由して伝達されると、燃料が前記燃料管を介して燃料噴射ノズル４に圧送して供給され、ディーゼルエンジン１の運転状況に応じた燃料噴射が行われる。
【００２１】
次に、前記バルブタイミング機構１７と、それによる前記吸気弁３ｃ・３ｃの閉弁時期制御について、図１乃至図４により説明する。
図１に示すように、バルブタイミング機構１７においては、シリンダブロック２の左側方で前記クランク軸８の中心軸に平行に前記カム軸１９が配置され、該カム軸１９には、所定のカムプロフィールを有するカム２０が外嵌され、該カム２０の円周上部にはカムフォロアー２１が当接されている。
【００２２】
該カムフォロアー２１は、スイングアーム２３の左右略中央下側に設けられ、該スイングアーム２３の左端は揺動軸２２に軸支されており、該揺動軸２２を中心にして、前記スイングアーム２３が、カム２０のカムプロフィールに従って上下揺動するようにしている。
【００２３】
更に、前記スイングアーム２３の右端は、プッシュロッド２４の下端に連結される。該プッシュロッド２４は、前記シリンダヘッド３の左部を上下方向に貫通して上下摺動可能に設けられると共に、シリンダヘッド３から突き出たプッシュロッド２４の上端には、シリンダヘッド３の上方に設けた弁腕２５の左端が連結されている。
【００２４】
該弁腕２５の左右略中央は、前記カム軸１９に平行に配置された弁腕軸２６を中心にして、上下揺動可能に軸支されると共に、弁腕２５の右端は、前記左右一対の吸気弁３ｃ・３ｃの上端部間を接続する吸気用連結部材１８に、取付軸２７を介して連結されている。
【００２５】
そして、該吸気用連結部材１８は、シリンダヘッド３の上面と吸気弁３ｃ・３ｃの上端傘部との間に介装したバネ４８の弾性力によって、常に上方に付勢されており、プッシュロッド２４が、弁腕軸２６を中心にして押し下げられて、カムフォロアー２１が、スイングアーム２３を介してカム２０に押圧されるようにしている。これにより、カムフォロアー２１のカム２０への追従性を向上させ、吸気弁３ｃ・３ｃの開閉時期の設定精度を高めるようにしている。
【００２６】
なお、前記排気弁の開閉時期についても、同様にして、このバルブタイミング機構１７に設けた図示せぬカムのカムプロフィールに従って設定されている。
【００２７】
また、このような構成から成るバルブタイミング機構１７において、回転動力が入力されるカム軸１９は、前述の如くクランク軸８に連動連結されており、該クランク軸８の位相を基準として開閉時期制御が行われる。
【００２８】
図２に示すように、吸気上死点Ｔ前の時期２８で吸気弁３ｃ・３ｃの開弁動作が開始された後に、通常は、吸気下死点Ｂ後の時期３０ａで閉弁動作が開始され、時期３０ｂで閉弁動作が終了するように制御される。なお、吸気弁３ｃ・３ｃの開弁動作開始の時期２８を吸気上死点Ｔ前としたのは、吸気弁３ｃ・３ｃの開弁時間と排気弁の開弁時間との重複時間を拡大することにより掃気量を増加させ、ディーゼルエンジン１のエンジン特性を向上させるためであり、吸気弁３ｃ・３ｃの開弁動作開始の時期２８は、必ずしも吸気上死点Ｔ前に限定されるものではない。
【００２９】
これに対し、本実施例では、吸気弁３ｃ・３ｃの開弁動作開始の前記時期２８を、前記掃気量を損なうことなく設定し、閉弁動作開始と閉弁動作終了の前記時期３０ａ・３０ｂのみを、クランク軸８の角度で位相角４９だけ早め、それぞれ、吸気下死点Ｂ前の時期２９ａ・２９ｂとなるように、前記カム２０のカムプロフィールが形成されている。この場合、閉弁動作が終了して閉弁した後も吸気行程が継続され、前記吸気流路３ｂからシリンダ３１内に吸気された吸入空気が、気密状態のまま断熱膨張される。
【００３０】
図３に示すように、吸気弁３ｃ・３ｃの閉弁動作開始の時期は、前述の時期２９ａと同様に、吸気下死点Ｂ前の時期５０ａとなるのに対し、閉弁動作終了の時期は、吸気下死点Ｂ後の時期５０ｂになるように、前記カム２０のカムプロフィールを形成することができる。この場合、ピストン６が吸気下死点Ｂに至るまでの間、閉弁動作は終了しないものの、閉弁動作自体は既に開始されているため、吸気弁３ｃ・３ｃの吸気流路３ｂ・３ｂが徐々に閉塞されていく。これにより、吸気流が制限を受けた状態で吸気行程が継続され、前記吸気流路３ｂからシリンダ３１内に吸気された吸入空気が、気密に近い状態で断熱膨張される。
【００３１】
図４に示すように、吸気弁３ｃ・３ｃの閉弁動作の開始と終了の時期を、前述の時期５０ａ・５０ｂと同様に、吸気下死点Ｂ前後の時期５１ａ・５１ｂにすると共に、閉弁動作の途中に、吸気弁３ｃ・３ｃの着座速度を減速する緩衝区間５２を設け、該緩衝区間５２の開始時期を、吸気下死点Ｂ前の時期５１ｃとなるように、前記カム２０のカムプロフィールを形成することができる。この場合、吸気下死点Ｂに至るまでの間、吸気弁３ｃ・３ｃは図示せぬ着座面に徐々に接近していく。これにより、吸気下死点Ｂで燃焼室１５内に大きな圧力変動が生じても、それにより、吸気弁３ｃ・３ｃが着座面に誤って激しく衝突するのを回避することができる。
【００３２】
更に、以上の図２乃至図４に示す本発明に関わるバルブタイミング機構１７では、いずれも、従来のタイミングリタードとは異なり、着火時期は通常のままであるため、初期燃焼の後に供給される燃料の割合が多くなることはない。更に、このバルブタイミング機構１７では、開弁時間を短縮して、スワール流が発生しやすい高リフト部での吸気量を制限すると共に、吸入空気を膨張させることにより、吸気に伴うスワール流を小さくすることができ、多噴口構造であっても、後述するような燃料噴霧の重複を回避することができる。
【００３３】
次に、以上のような開閉時期制御を行う燃料噴射ノズル４の構造と動作について、図１、図５、図６により説明する。
該燃料噴射ノズル４は、そのノズル軸心３６が、前記シリンダ３１のシリンダ中心線３７と同軸上に配置されるように、シリンダヘッド３に嵌着されている。更に、この燃料噴射ノズル４のノズルボディ３２の下部には半球状の噴射部３３が形成され、該噴射部３３は、前記シリンダヘッド３の下面３ｄから燃焼室１５内に臨むように配置されている。
【００３４】
前記噴射部３３の内部には、球面状のサック孔３９が形成され、該サック孔３９の球心４０は前記ノズル軸心３６上に位置している。そして、該サック孔３９には、上下摺動可能な弁体４１の円錐状の下端部４１ａが突出され、該下端部４１ａは、ノズルボディ３２内の弁座３２ａに着座可能に形成されている。更に、該ノズルボディ３２の内周側面と弁体４１の外周側面との間には、燃料供給路４２が形成されている。
【００３５】
このような構成において、燃料噴射開始時には、高圧の燃料が、前記燃料噴射ポンプ５から前記燃料供給路４２に供給された後、弁体４１の下端部４１ａと弁座３２ａとの間の隙間４２ａを通ってサック孔３９内に流入し、噴射部３３に形成された後述の多噴口より、燃焼室１５を構成するキャビティ３８内に噴射されるようにしている。
【００３６】
燃料噴射終了時には、図示せぬ制御装置からの制御信号に基づいて電磁弁等が作動し、油圧ピストン等のアクチュエータによって前記弁体４１が下降して前記隙間４２ａを遮断する。これにより、サック孔３９内への燃料の供給を停止して、多噴口からキャビティ３８内への燃料の噴射を停止するようにしている。
【００３７】
次に、前記噴射部３３における多噴口の構造と、該多噴口からの燃料噴霧に及ぼすスワール流の影響について、図５乃至図８により説明する。
図５乃至図７に示すように、該噴射部３３には、上下に二段の噴口列３４・３５が形成されている。このうちの上段噴口列３４では、複数の上段噴口３４ａが、ノズル軸心３６を中心とした同一円周上に、周方向に等間隔をあけて配置され、更に、各上段噴口３４ａは、俯角Ｄ１の上段噴口中心線４３が前記半球側面３３ａの球心４０を略通過するように形成されており、半球側面３３ａに対して略直角に開口されている。
【００３８】
同様に、前記下段噴口列３５でも、複数の下段噴口３５ａが、ノズル軸心３６を中心とした同一円周上に、周方向に等間隔をあけて配置され、更に、各下段噴口３５ａは、俯角Ｄ２の下段噴口中心線４４が前記半球側面３３ａの球心４０を略通過するように形成されており、半球側面３３ａに対して略直角に開口されている。
【００３９】
これにより、燃料を、上段噴口３４ａ・下段噴口３５ａのいずれからも、噴射部３３の半球側面３３ａに対して略直角に噴射させることができ、燃料噴射時の不規則な渦流等の発生を防止し、燃焼室１５内における燃料分布のばらつきを軽減するようにしている。
【００４０】
そして、上段噴口３４ａの噴口長さをＬ１、噴口径をｄ１とし、下段噴口３５ａの噴口長さをＬ２、噴口径をｄ２とした場合、本実施例では、噴口長さは同一（Ｌ１＝Ｌ２）であるが、上段噴口３４ａの噴口径ｄ１は下段噴口３５ａの噴口径ｄ２よりも大きく（ｄ１＞ｄ２）設定されている。
【００４１】
一方、前記燃焼室１５は、前記シリンダヘッド３の下面３ｄと、シリンダ３１の内側面と、ピストン６の頂部６ａを凹状に加工したキャビティ３８との間に形成される。そして、該キャビティ３８の平面視略中央には、略平坦な円状の底面部３８ｂが形成され、該底面部３８ｂの周囲は、上方に開いた円錐台状の斜面部３８ａによって覆われると共に、底面部３８ｂは、斜面部３８ａよりも、前記噴射部３３に近設して設けられている。
【００４２】
以上のような構成において、上段噴口３４ａから噴射される燃料は、斜面部３８ａに向かって、上段噴口中心線４３上を噴霧角θ１で噴霧長さＳ１まで拡散し、上段燃料噴霧４５を形成する。更に、下段噴口３５ａから噴射される燃料は、底面部３８ｂに向かって、下段噴口中心線４４上を噴霧角θ２で噴霧長さＳ２まで拡散し、下段燃料噴霧４６を形成する。
【００４３】
そして、このような燃料噴霧４５・４６では、噴口径ｄが小さいほど、各噴口３４ａ・３５ａからの噴出流量・速度が減少し、噴霧到達距離が短くなる。すなわち、前述した貫徹力が小さいことになる。従って、下段噴口３５ａからの下段燃料噴霧４６の貫徹力の方が、上段燃料噴霧４５の貫徹力よりも小さくなり、下段燃料噴霧４６の噴霧長さＳ２を、上段燃料噴霧４５の噴霧長さＳ１よりも短くして、下段燃料噴霧４６を構成する燃料が、底面部３８ｂにできるだけ接触しないようにすることができる。
【００４４】
なお、この際、上段噴口３４ａの貫徹力は大きいが、噴射部３３から斜面部３８ａまで遠いことから、上段燃料噴霧４５を構成する燃料も、斜面部３８ａにできるだけ接触しないようにすることができる。
【００４５】
また、図５、図８に示すように、このような噴口径が異なる上段噴口３４ａと下段噴口３５ａから成る異径多噴口構造において、吸気条件の変動等によって大きいスワール流Ｗが発生している場合について説明する。該スワール流Ｗにおいて、旋回外側のスワール流Ｗ１は、旋回内側のスワール流Ｗ２よりも高速であって、燃料噴霧４５・４６を旋回方向に押して湾曲させる力（以下、「湾曲力」とする。）は大きい。
【００４６】
ここで、上段噴口３４ａの俯角Ｄ１は下段噴口３５ａの俯角Ｄ２よりも小さいため、上段燃料噴霧４５は、旋回外側の高速のスワール流Ｗ１を貫くようにして通過するが、前述の如く上段燃料噴霧４５の貫徹力が大きいことから、スワール流Ｗ１から受ける湾曲力の影響は小さく、スワール流Ｗ１に押されることによる上段燃料噴霧４５同士の重なりは小さい。
【００４７】
これに対し、下段燃料噴霧４６は、旋回内側の低速のスワール流Ｗ２を貫くようにして通過するため、スワール流Ｗ２から受ける湾曲力の影響が小さく、たとえ貫徹力が小さくても、スワール流Ｗ２に押されて下段燃料噴霧４６同士が重なることはない。なお、このように大きいスワール流Ｗが発生する場合は、燃料噴霧４５・４６は、屈曲されるために前記斜面部３８ａ・底面部３８ｂとは接触しにくい状態となっている。また、吸気流路３ｂ・３ｂやキャビティ３８の形状を、スワール流Ｗが減少するように形成することで、更に燃料噴霧４５・４６の重なりを減少させることができる。
【００４８】
なお、前記上段噴口３４ａの噴口径ｄ１を下段噴口３５ａの噴口径ｄ２と同一に（ｄ１＝ｄ２）設定して、上段燃料噴霧４５Ａの貫徹力を小さくした場合は、該上段燃料噴霧４５Ａがスワール流Ｗ１から受ける湾曲力の影響が大きいため、押されて上段燃料噴霧４５Ａ同士が重なり、広い噴霧重複域４７が生じ、該噴霧重複域４７において燃料濃度の局部的な上昇が起こる。
【００４９】
すなわち、吸入空気のスワール流Ｗが発生している燃焼室１５内に、多噴口構造の燃料噴射ノズル４から燃料を直接噴射して複数の燃料噴霧４５・４６を形成するディーゼルエンジン１において、隣設する噴口３４ａ・３５ａからの燃料噴霧４５・４６の重なりを減少する重複回避構成を備え、該重複回避構成として、前記燃焼室１５内に空気を吸入する吸気弁３ｃ・３ｃの閉弁動作の開始点である時期２９ａ・５０ａ・５１ａを吸気下死点Ｂ前に設定するバルブタイミング機構１７を設けたので、該バルブタイミング機構１７では、閉弁動作を開始した後は、吸気弁３ｃ・３ｃにより吸気流路３ｂが徐々に閉塞されていくため、ピストン６が吸気下死点Ｂに至るまでの間、吸気流が制限を受けた状態で吸気行程が継続される。これにより、吸入空気を断熱膨張させてシリンダ３１内の吸気温度を低くすることができ、燃焼最高温度を低下させてＮＯｘ生成量を低減することができる。この際、タイミングリタードを行う場合とは違って、初期燃焼の後に供給される燃料の割合が多くなることはない。更に、前記バルブタイミング機構１７では、開弁時間を短縮して、スワール流が発生しやすい高リフト部での吸気量を制限すると共に、吸入空気を膨張させることにより、吸気に伴うスワール流Ｗを小さくすることができ、多噴口構造の場合でも、複数の燃料噴霧４５・４６がスワール流Ｗに湾曲されて生じる重複を減少することができる。これにより、噴霧重複域４７を小さくして燃料濃度の局部的な上昇を軽減することができ、不完全燃焼を抑制して安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減を図ることができる。
【００５０】
更に、前記閉弁動作において、前記吸気弁３ｃ・３ｃの着座速度を減速して着座の衝撃を緩和する緩衝区間５２を設け、該緩衝区間５２の開始点である時期５１ｃを吸気下死点Ｂ前に設定するので、吸気下死点Ｂで燃焼室１５内に大きな圧力変動が生じる前に、吸気弁３ｃ・３ｃの着座速度を減速することができ、圧力変動下であっても吸気弁３ｃ・３ｃが着座面に激しく衝突しないようにして、吸気弁３ｃ・３ｃまたは着座面の損傷を防止することができる。
【００５１】
加えて、前記重複回避構成として、前記バルブタイミング機構１７に加えて異径多噴口構造を設け、該異径多噴口構造は、上下複数段、本実施例では上下２段の噴口列３４・３５から成り、該噴口列３４・３５のうちで、燃料の噴射方向の俯角Ｄが小さい上段側ほど、本実施例では上段噴口列３４の噴口径ｄ１を大きく設定して貫徹力を増加させるので、前記ディーゼルエンジン１において、吸気条件の変動等により、たとえ大きいスワール流Ｗが発生しても、高速な旋回外側のスワール流Ｗ１を通過する上段燃料噴霧４５の方の貫徹力を増加させることができ、各燃料噴霧４５・４６の貫徹力をスワール流Ｗから受ける湾曲力に応じて適正化することができる。これにより、燃料噴霧４５・４６の先部が燃焼室１５の壁面である斜面部３８ａ・底面部３８ｂに接触して多量のカーボンが堆積するのを最小限に抑えつつ、噴霧重複域４７を小さくして燃料濃度の局部的な上昇を軽減することができ、燃焼室１５内の空気利用率を向上させて、大きいスワール流Ｗが発生した場合にも安定した燃費の向上と黒煙発生量の低減を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、吸入空気のスワール流が発生している燃焼室内に、多噴口構造の燃料噴射ノズルから燃料を直接噴射して複数の燃料噴霧を形成する、全てのディーゼルエンジンに適用することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１ ディーゼルエンジン
３ｃ 吸気弁３ｃ
４ 燃料噴射ノズル
１５ 燃焼室
１７ バルブタイミング機構
２９ａ・５０ａ・５１ａ 時期（閉弁動作の開始点）
３４・３５ 噴口列
３４ａ・３５ａ 噴口
４５・４６ 燃料噴霧
５１ｃ 時期（緩衝区間の開始点）
５２ 緩衝区間
Ｂ 吸気下死点
Ｄ 俯角
ｄ１ 噴口径
Ｗ スワール流
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入空気のスワール流が発生している燃焼室内に、多噴口構造の燃料噴射ノズルから燃料を直接噴射して複数の燃料噴霧を形成するディーゼルエンジンにおいて、隣設する噴口からの燃料噴霧の重なりを減少する重複回避構成を備え、該重複回避構成として、前記燃焼室内に空気を吸入する吸気弁の閉弁動作の開始点を吸気下死点前に設定するバルブタイミング機構を設けたことを特徴とするディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記閉弁動作において、前記吸気弁の着座速度を減速して着座の衝撃を緩和する緩衝区間を設け、該緩衝区間の開始点を吸気下死点前に設定することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【請求項３】
前記重複回避構成として、前記バルブタイミング機構に加えて異径多噴口構造を設け、該異径多噴口構造は、上下複数段の噴口列から成り、該噴口列のうちで燃料の噴射方向の俯角が小さい上段側ほど、噴口径を大きく設定して貫徹力を増加させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のディーゼルエンジン。
【請求項１】
吸入空気のスワール流が発生している燃焼室内に、多噴口構造の燃料噴射ノズルから燃料を直接噴射して複数の燃料噴霧を形成するディーゼルエンジンにおいて、隣設する噴口からの燃料噴霧の重なりを減少する重複回避構成を備え、該重複回避構成として、前記燃焼室内に空気を吸入する吸気弁の閉弁動作の開始点を吸気下死点前に設定するバルブタイミング機構を設けたことを特徴とするディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記閉弁動作において、前記吸気弁の着座速度を減速して着座の衝撃を緩和する緩衝区間を設け、該緩衝区間の開始点を吸気下死点前に設定することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【請求項３】
前記重複回避構成として、前記バルブタイミング機構に加えて異径多噴口構造を設け、該異径多噴口構造は、上下複数段の噴口列から成り、該噴口列のうちで燃料の噴射方向の俯角が小さい上段側ほど、噴口径を大きく設定して貫徹力を増加させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のディーゼルエンジン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１６９２８１（Ｐ２０１１−１６９２８１Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３５３２１（Ｐ２０１０−３５３２１）
【出願日】平成２２年２月１９日（２０１０．２．１９）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月１９日（２０１０．２．１９）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
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